Récupération de chaleur à partir des eaux usées des douches

La récupération de la chaleur des eaux usées des douches consiste à capter l'énergie thermique contenue dans les eaux usées chaudes (provenant par exemple des douches) et à la transférer à l'eau douce froide entrante. En pratique, un échangeur de chaleur à contre-courant ou à film tombant est installé de sorte que les eaux grises chaudes (par exemple, ~25-35 °C) passent d'un côté de l'échangeur tandis que l'eau froide entrante (~10-15 °C) s'écoule de l'autre côté. L'eau froide est préchauffée (par exemple à ~20-28 °C) avant d'entrer dans la chaudière ou le générateur d'eau chaude, ce qui réduit la consommation de combustible ou d'énergie électrique.

Cette approche utilise l'écoulement simultané des eaux usées et de l'eau douce - en particulier dans les douches - pour permettre un transfert de chaleur en temps réel sans nécessiter de grands systèmes de stockage thermique.

Les économies réalisées dépendent d'un certain nombre de facteurs (température des eaux usées, température de l'eau froide entrante, débits, efficacité de l'échangeur de chaleur). Cependant, les systèmes industriels et commerciaux typiques permettent d'économiser jusqu'à 50 % de la demande de chauffage de l'eau. Par exemple, un guide européen montre que les systèmes de récupération de chaleur des eaux usées des douches peuvent récupérer jusqu'à 60 % de l'énergie liée à la douche dans certains cas.

Une autre référence pour les applications domestiques/moins intensives fait état de réductions de ~31-36 % (ou jusqu'à ~41-47 % avec un système d'appoint par immersion) de la consommation d'eau chaude électrique.

Ainsi, pour un hôtel ou un complexe de piscines, la mise en œuvre d'un système correctement dimensionné (avec, par exemple, un échangeur à film tombant à coefficient de transfert thermique élevé) peut permettre de réaliser des économies substantielles sur les coûts de combustible et de services publics et d'améliorer les indicateurs de développement durable.

Cette technologie est particulièrement efficace dans les installations où l'utilisation continue ou répétée de douches ou de cycles de rinçage à l'eau chaude est importante, ce qui se traduit par un débit important d'eaux usées chaudes. Les zones de déploiement typiques sont les suivantes

• Hôtels, centres de villégiature et spas avec de nombreuses douches pour les clients
• Piscines publiques ou commerciales, centres de bien-être, installations sportives et de loisirs
• Systèmes de douches industrielles (douches pour les employés, systèmes de rinçage des chaînes de production)
• Projets de rénovation à grande échelle où la demande en eau chaude est élevée et où des objectifs d'efficacité énergétique ont été fixés
  Les références montrent que les systèmes sont utilisés dans "les installations sportives, les salons de coiffure, les hôtels et les piscines".

En résumé, les scénarios "à haut débit, à forte rotation et à utilisation prévisible" offrent le meilleur retour sur investissement.

Lors de la spécification d'un système de récupération de la chaleur des douches et des eaux usées pour un usage industriel ou commercial, les paramètres techniques clés sont les suivants :

• Le coefficient de transfert de chaleur (valeur U) : Des valeurs élevées (par exemple jusqu'à ~2000 W/m² K) indiquent un échange efficace. (Voir par exemple les données sur les échangeurs à film tombant).
• Matériaux et hygiène : L'utilisation d'acier inoxydable (par exemple, AISI 316Ti) est préférable pour des raisons d'hygiène, de résistance à la corrosion et de longévité dans un environnement de douche/d'eaux usées.
• Simultanéité de l'écoulement : Pour les systèmes instantanés, les flux d'eaux usées et d'eau froide doivent coïncider (en particulier dans les douches) pour une récupération optimale.
• Plage de pression/température du système : La température d'alimentation en eau froide, la température de l'eau usée, la température de retour et la chute de pression admissible doivent être définies.
• Accès pour le nettoyage et l'entretien : En particulier pour les eaux usées susceptibles de contenir des saletés, des peluches, des résidus de savon ou d'autres contaminants, l'échangeur doit être accessible pour le nettoyage ou présenter des caractéristiques anti-encrassement.
• Intégration/compatibilité : L'échangeur doit s'adapter à la chaudière existante, à la production d'eau chaude, aux circuits hydrauliques, aux contraintes d'espace et aux régimes d'entretien.

Non, pas nécessairement. L'intégration peut être simple, en fonction de la conception du système. Quelques considérations :

• Dans les nouvelles constructions, l'échangeur de chaleur peut être intégré à l'évacuation de la douche ou à la tuyauterie adjacente ; dans les rénovations d'hôtels/piscines, il peut être nécessaire d'adapter la tuyauterie/le parcours et l'espace.
• L'utilisation des douches étant typique et prévisible, le système ne nécessite pas nécessairement un stockage thermique important si la récupération instantanée est utilisée.
• L'entretien doit être planifié, mais de nombreux systèmes modernes sont conçus pour être nettoyés sans arrêt total (en particulier les systèmes à film tombant). Cela limite les perturbations opérationnelles.

Par conséquent, bien qu'une certaine planification et une adaptation de la tuyauterie soient nécessaires, les avantages l'emportent souvent sur l'effort d'installation.

La période d'amortissement dépend de variables spécifiques au site : volume de consommation d'eau chaude, coûts de l'énergie/du combustible, efficacité du système et coût de l'installation. Les références typiques pour les systèmes résidentiels indiquent des périodes de récupération de l'ordre de 2,5 à 7 ans (pour la récupération de la chaleur des eaux de drainage domestiques).

Pour les systèmes commerciaux/industriels (par exemple, les hôtels, les piscines) avec des charges importantes, la période de récupération peut être beaucoup plus courte en raison du potentiel d'économies d'énergie plus élevé (50 %+). La meilleure pratique consiste à effectuer une analyse complète du coût du cycle de vie (LCCA) comprenant le coût d'investissement, les économies d'énergie attendues, les coûts d'entretien et la durabilité/la durée de vie de l'échangeur.

Plusieurs questions doivent être abordées, en particulier dans les installations commerciales-industrielles (hôtels/piscines) :

• Séparation de l'eau potable et de l'eau non potable : L'échangeur de chaleur ne doit pas mélanger les eaux usées et l'eau douce. Des options de double paroi ou de détection des fuites peuvent être nécessaires, en fonction des réglementations locales.
• Performance thermique et température d'abaissement : Le système ne doit pas réduire la température des eaux usées en dessous de seuils susceptibles d'affecter le traitement en aval (en cas de rejet dans les égouts) ou de provoquer une croissance microbienne. Certaines recommandations suggèrent que les eaux usées ne doivent pas être refroidies en dessous de ~10 °C dans les réseaux d'égouts.
• Adéquation des matériaux et nettoyage : Dans un environnement de douches et d'eaux usées avec du savon, des huiles, des peluches, etc., les matériaux doivent résister à l'encrassement et à la corrosion, et leur conception doit faciliter le nettoyage.
• Conformité avec les codes du bâtiment et les réglementations en matière d'efficacité énergétique : De nombreuses juridictions reconnaissent la récupération de chaleur des eaux usées (RCEU) dans les codes énergétiques ou les méthodes de calcul des bâtiments.

Par conséquent, les spécifications techniques doivent inclure la séparation hygiénique, les matériaux appropriés, l'accès à l'entretien et la conformité.

Dans la récupération de la chaleur des eaux usées industrielles (comme pour les douches, les blanchisseries, les eaux usées industrielles), le choix du type d'échangeur est important :

• Les échangeurs de chaleur à film tombant (conception ouverte, acier inoxydable) offrent des coefficients de transfert de chaleur très élevés, de faibles pertes de charge et une facilité de nettoyage/accessibilité en cours de fonctionnement. Par exemple, la documentation du produit montre que le système ouvert du Falling Film ruisseleur en acier inoxydable peut être nettoyé même en cours de fonctionnement.
• Les échangeurs de chaleur à plaques peuvent donner de bons résultats, mais ils risquent de s'encrasser davantage dans les applications de traitement des eaux usées et de nécessiter des temps d'arrêt pour l'entretien.
• Dans les environnements où la contamination est plus élevée et le débit variable (par exemple, les douches industrielles, les grands hôtels, les piscines), la robustesse et la facilité de nettoyage de la conception à film tombant en font souvent le meilleur choix.

Par conséquent, lors de la spécification d'une installation commerciale/industrielle, les échangeurs à film tombant offrent souvent une meilleure fiabilité opérationnelle et des temps d'arrêt réduits pour la maintenance.

Plusieurs facteurs limitatifs ou risques doivent être évalués lors de la conception :

• Non-simultanéité des flux : si les eaux usées chaudes (source) et l'alimentation en eau froide (évier) ne coïncident pas en termes de temps ou de débit, la récupération chute (à moins d'ajouter du stockage).
• Faible température de l'eau usée ou faible débit : Si les eaux usées ne sont que légèrement chaudes ou si les débits sont faibles, l'énergie disponible pour la récupération peut ne pas justifier le coût. L'efficacité peut diminuer.
• Encrassement et entretien : Les contaminants présents dans les eaux usées (savon, peluches, sédiments) peuvent réduire l'efficacité du transfert de chaleur et augmenter les coûts d'entretien, ce qui nécessite une sélection rigoureuse de la conception de l'échangeur et du régime de nettoyage.
• Problèmes d'intégration : Les modernisations peuvent se heurter à des contraintes de tuyauterie, d'espace et de configuration hydraulique, ou nécessiter des temps d'arrêt.
• Viabilité économique : Les calculs spécifiques au site doivent confirmer que les économies de carburant/de services publics, les coûts de maintenance et les coûts d'investissement s'alignent pour fournir un retour sur investissement acceptable.

En évaluant ces facteurs de manière proactive, les directeurs d'usine et les ingénieurs peuvent atténuer les risques et optimiser les performances du système.

• Évaluation de base : Mesurer l'utilisation actuelle de l'eau chaude (volume d'eau des douches, températures, débits), la température des eaux usées et le volume des rejets, les coûts des services publics et des combustibles, les performances actuelles de la chaudière et du système de production d'eau chaude.
• Étude de faisabilité : Définir la température de l'eau froide entrante, la température des eaux usées, la simultanéité des flux, les contraintes d'espace, le calendrier, le régime d'entretien. Quantifier les économies potentielles d'énergie/de carburant (utiliser des valeurs de référence : jusqu'à ~50 %).
• Spécification de l'unité de récupération de chaleur : Sélectionner la conception de l'échangeur (par exemple, acier inoxydable à film tombant), sa taille en fonction des débits, assurer une séparation hygiénique, les matériaux, l'accès au nettoyage, les valeurs nominales de pression/température, l'intégration dans le système existant.
• Analyse économique : Coût d'investissement, coût d'installation, temps d'arrêt, coût de maintenance, économies attendues, délai de récupération.
• Planification de l'intégration : S'aligner sur les systèmes CVC, de plomberie et d'eau chaude existants, assurer les contrôles, la surveillance (pour réaliser des économies), assurer la conformité aux réglementations (code du bâtiment, hygiène).
• Installation et mise en service : Installer avec un minimum de perturbations, s'assurer que la boucle de préchauffage est correctement intégrée, valider les performances (températures, débit, consommation d'énergie) et mettre en place un suivi pour vérifier les économies réalisées.
• Suivi et optimisation : Après la mise en service, surveiller la consommation d'énergie réelle, assurer le plan de maintenance, nettoyer les surfaces des échangeurs si nécessaire, comparer les économies réelles aux prévisions et ajuster les contrôles/flux en conséquence.